矿井通风网络理论及其应用3讲解课件

通风网络理论及其应用贾进章，教授，博导辽宁工程技术大学jiajinzhang@163.com通风网络特征图（Q-H平衡图）特征图

将表现流体网络节点流量平衡、回路阻力平衡这一基本关系的二维图称为流体网络的平衡图，在平衡图中流体网络的每一条分支用一矩形块来表示，并按网络的拓扑关系排列起来。矩形块的宽度等于分支的流量，高度等于分支的阻力，矩形面积等于分支的功耗。因为该图反映了包括流体网络的拓扑关系在内的所有网络特征，所以也称流体网络的特征图，或简称Q-H图。通风网络特征图（Q-H平衡图）通风网络特征图（Q-H平衡图）研究意义

矿井的安全问题，核心是“一通三防”的问题。通风系统是矿井最重要的辅助系统。矿井通风系统合理与否,与矿井的安全生产有很大的关系。Q-H平衡图（也就是风网特征图），它直观、定量地反映通风系统的状态，是分析通风系统的最佳手段，Q-H平衡图是表达通风网络所有特征的一种新方法。它的最大的特点是直观性,Q-H平衡图与网络图具有等价关系,它的功能是通风系统图以及网络图所不可比拟的，与网络图相比,平衡图更形象、更直观,而且是定量化,尤其在反映通路与割集方面更高一筹。矿井通风阻力分布、有毒有害气体的分布，它既能反映通风系统的技术管理水平，又能反映通风防灭火的技术途径。特征图的推广应用，改变了生产矿井的传统的通风管理方法和手段，是一种新的变革，为通风技术管理的现代化、科学化提供了新的途径。通风网络特征图（Q-H平衡图）研究意义

Q-H平衡图是描述流体网络拓扑关系及其各种性质的最科学、直观、定量的表达方法，它是把流体网络中节点流量平衡、回路阻力平衡这一基本关系用二维图的形式来表现，在平衡图中流体网络的每一条分支用一矩形块来表示，并按网络的拓扑关系排列起来。它的性质可以用5条线来描述，即节点线、回路线、半割集线、通路线、流阻特性曲线，使平衡图直观、形象地反映通风网络中的每一条风路，每条风路都用一个矩形框来表示，按照一定的关联关系排列在图上。矩形块的宽等于该风路的风量，矩形块的高等于该风路的阻力，矩形块的面积等于该风路的功耗。Q-H平衡图揭示的内容是深刻而又广泛的，其功能是多方面的，平衡图能够进行风量分配风量调节，可以进行三区管理，即进风区、用风区、回风区的风量分布、阻力分布、功耗分布，在图中能够看出通风系统是否合理，三区各占的阻力比例是衡量系统优劣的重要标志，其中自然分区的三区阻力比例可反映系统设计是否合理，按需分风的三区阻力比例可反映生产布局、技术管理是否合理。通风网络特征图（Q-H平衡图）研究意义

也就是说Q-H平衡图能够对通风系统进行改造，因为在平衡图上可反应出各块的宽度，即配风是否合理；还可反应各块的高，即阻力是否属于高阻力风路。还同时能反应出风流的流向是否合理。能够将矿井的每条巷道的瓦斯含量和温度在平衡图中一目了然的显示。通过快速、准确地自动绘制Q-H平衡图对直观全面地评价通风系统、进行通风网络优化和通风的日常管理都有重要的意义。所以，对Q-H平衡图应用研究具有非常重要的意义。通风网络特征图（Q-H平衡图）特征图的起源

通风系统的压能图概念早在20世纪50年代就由波兰学者提出过。风网特征图（Q-H平衡图）源于Budryk的具有风量宽度的通风网络图，80年代初由波兰专家协助的《煤峪口矿均压防灭火技术》项目中提出的压能图是首次将该图在国内应用于煤矿，分析均压防灭火问题，并取得显著的成效。压能图是一种单坐标的图，根据通风理论中的三大定律与伯努利方程,经过巷道阻力测定或压能测定后，再将结果填到压能图上。设地表风压为零，扇风机负压为最大值，其它各点都小于这个数值。压能图把扇风机能量消耗在网路中各条风路的数值反映在图上。由于特征图比压能图多一个风量坐标，因此在反映通风参数方面更全面、更直观，便于通风管理计算机化。压能图、风网特征图在反映均压防灭火及有害气体污染范围以及避灾路线选择方面有独到之处，是其它图像不可替代的。风网特征图可实现计算机自动绘制，各种功能在图上可分层处理，还具有联网作用，为通风系统的计算机化开辟了一条新途径。通风网络特征图（Q-H平衡图）平衡图的性质-5条线（1）节点线通风网络特征图（Q-H平衡图）平衡图的性质-5条线（2）回路线通风网络特征图（Q-H平衡图）平衡图的性质-5条线（3）割集线通风网络特征图（Q-H平衡图）平衡图的性质-5条线（4）通路线通风网络特征图（Q-H平衡图）平衡图的性质-5条线（5）风阻特性曲线通风网络特征图（Q-H平衡图）特征图的功能-11项（1）进行风量分配当通风网络中节点、边的连接关系、风阻分布一定时，则各边在Q-H平衡图中的相对位置也固定了，边与边的上、下、左、右关系也是明确的、只要给定风量，就可以在图上进行风量分配。只要给定总风量，就可在图上进行网路解算。当然，对于复杂的通风网络，尤其是立体网络，还需计算机的配合才能在图上进行风量分配。（2）风量调节当通风网络中各边的风阻、风量为已知，就可在Q-H平衡图上进行按需调节。采用通路线，以最大通路阻力为基础，调节其它小阻力通路，使各风路的风压相等。独立通路数为n-m+2，其中一条最大阻力通路不用调，只调节其它n-m+1条通路，即以其功耗最小为条件进行调节，这样就可以确保其功耗最小。通风网络特征图（Q-H平衡图）特征图的功能（3）确定总风阻对任意的通风网络均可在Q-H平衡图上直接确定该网络的总风阻。特征图可直接用右上角坐标（h,q）计算出总风阻。而采用计算法确定总风阻就比较复杂，先进行网络解算来求出各边的风量，然后计算网络的总风压，再利用阻力定律求出总风阻。（4）三区管理通风系统可划分为三区：进风区、回风区、用风区。三区各占的阻力比例是衡量通风系统及其管理是否合理的重要指标。特征图可直接标出三区各占的范围，一目了然。三区分布包含风量分布、阻力分布、功耗分布三层意思，横向表示风量，纵向表示阻力，面积表示功耗。给原始数据文件中的风路类型赋三区属性值后，绘制的风网特征图可以确定矿井用风地点的“纯有效风量率”、“纯有效功耗”。通风网络特征图（Q-H平衡图）特征图的功能如果有些区域由红色直接变成了蓝色，中间没有经过用风区黄色，说明这部分风量是“无用”的，在通风管理中应尽量避免这种图形出现。同样黄色区域宽度越接近风网特征图的总宽度，说明矿井的通风系统及其管理越合理。总之，风路三区属性的初始值不同，得到的三色图形态也就不一样，应当根据实际需要来给风路赋三区属性值。如图：通风网络特征图（Q-H平衡图）特征图的功能（5）通风系统改造Q-H平衡图可为通风系统改造提供改造的位置。因为在Q-H平衡图上可反应出各块的宽度，即配风是否合理；还可反应各块的高，即阻力是否属于高阻力风路。还同时能反应出风流的流向是否合理。（6）为防灭火提供依据为均压防灭火的参数确定提供依据，它可提供漏风源汇的绝对压能及漏风源汇之间的压能差。于均压防灭火专用压能图相比更为全面。（7）模拟矿井污染范围软件具有自动将受污染的风路在风网特征图上自动涂以标志颜色的功能。（8）图示避灾路线在受污染矩形块中的人需要进入不受污染的矩形块，可以在图上标出进入非污染矩形块的路径，即避灾路线。通风网络特征图（Q-H平衡图）特征图的功能（9）图示矿井瓦斯浓度、温度将矿井的瓦斯浓度或温度的值显示在Q-H平衡图上，将使每条巷道的瓦斯浓度或温度大小一目了然，非常便于对整个矿井通风仿真系统进行管理。瓦斯浓度的高低用不同的颜色来表示，各矩形块瓦斯浓度值不一样，颜色也就不一样。从特征图上可以清楚地看出瓦斯浓度在全矿井的分布状况。图3.13为瓦斯浓度示意图。通风网络特征图（Q-H平衡图）特征图的功能（10）图示矿井空气环境参数将矿井的CO、CO2、NxOy、O2、以及温度、湿度等参数用不同的颜色来表示，形如一个标色板，这样整个矿井的空气环境参数就在一张图上显示出来。根据标色板的标色值以及在图上所占的面积，就可以非常清晰地反应出矿井环境状况的好坏。（11）图示矿井通风设施在各矩形块上可以标注是否具有通风设施，全矿的通风设施分布一目了然。一般来说，通风设施应当设在宽度较小的矩形块内，如果风门设在比较宽的块上，应当说通风管理不佳，原因有：风机能力过大，必须在主通风巷上限风；系统阻力分布不合理。高度最大、而且块上无调节设施的矩形块是阻力最大的风路，也是系统改造的位置。因此，将所有通风构筑物显示在风网特征图上，根据通风构筑物的位置，将很容易确定通风系统的改造方案。特征图可为通风系统改造提供改造的位置。因为从特征图上可反映各块的宽，即配风是否合理；还可反映各块的高，即阻力是否属于高阻力矿井。同时能反映风流的流向是否合理。通风网络特征图（Q-H平衡图）立体网络的平衡图图1所示的立体网络，无论我们怎样修改寻边策略，绘出的平衡图总会至少有一分支对应的矩形块被分割，在图2中，e9分支被分割，在图3中e10分支被分割。若要保证e9、e10分支不被分割，那末e2或e3分支被分割。这也就是说，立体网络下的平衡图将肯定有一些分支对应的矩形块被分割成两块甚至多块。通风网络特征图（Q-H平衡图）特征图绘制过程本人应用AutoCAD内嵌的VisualLISP进行软件开发，VisualLISP是AutoCAD自带的一个集成的AUTOLISP可视化开发环境，最早的AUTOLISP程序需要用文本编辑工具，如记事本等编辑，然后在Autocad中加载调试，很不方便。从Autocad2000开始，有了集成的开发环境：VISUALLISP。作为开发工具，VisualLISP提供了一个完整的集成开发环境（IDE），包括编译器、调试器和其他工具，可以实时调试AUTOLISP命令。Q-H平衡图软件开发的步骤包括：（1）网络解算通过网络解算，确定各分支的风量Q和风压H；（2）计算坐标利用Q-H平衡图绘制的通路法，基于文献1中的深度优先搜索法，确定各分支所对应的矩形块的左下角坐标（x,y）和右上角坐标（x’,y’）。（3）Q-H平衡图可视化利用VisualLISP开发了不同表现形式的Q-H平衡图绘制软件，Q-H平衡图绘制软件QH_graph.lsp，带有分支属性参数的Q-H平衡图。通风网络特征图（Q-H平衡图）网络解算原始数据网络解算结果通风网络特征图（Q-H平衡图）计算坐标

利用Matlab内嵌的M语言编程计算，编写软件qh_coordinate_determination.m，原始数据in_qh.txt格式如下：风路 始节点 末节点 流量 压力1 1 2 100 202 2 3 60 403 2 4 40 204 3 7 20 505 4 6 30 506 4 5 10 307 3 5 40 108 5 6 50 209 6 7 80 2010 7 8 100 30通风网络特征图（Q-H平衡图）运行结果生成3个文件：source_sink.txt，coordinate.txt和node_coordinate.txt。其中source_sink.txt的内容是源汇点，格式如下："(18)"coordinate.txt的内容是Q-H平衡图中各分支对应矩形块的左下角坐标和右上角坐标，格式如下："(40.00000060.00000020.000000110.00000037)""(20.00000020.00000060.00000060.00000023)""(720.00000060.00000060.00000070.00000035)""(660.00000040.00000070.00000070.00000045)""(820.00000070.00000070.00000090.00000056)""(10.0000000.000000100.00000020.00000012)""(360.00000020.000000100.00000040.00000024)""(570.00000040.000000100.00000090.00000046)""(920.00000090.000000100.000000110.00000067)""(100.000000110.000000100.000000140.00000078)"各列依次表示分支号、左下角横坐标、左下角纵坐标、右上角横坐标、右上角纵坐标、始节点、末节点。通风网络特征图（Q-H平衡图）node_coordinate.txt的内容是节点坐标，格式如下："(325.00000060.000000)""(552.50000070.000000)""(150.0000000.000000)""(255.00000020.000000)""(475.00000040.000000)""(665.00000090.000000)""(735.000000110.000000)""(850.000000140.000000)"以上各列依次为节点号，x坐标,y坐标通风网络特征图（Q-H平衡图）绘制Q-H平衡图为了从多角度对Q-H平衡图进行研究，本人开发了不同表现形式的系列软件。纯粹Q-H平衡图

通风网络特征图（Q-H平衡图）带有分支属性参数的Q-H平衡图将要在Q-H平衡图上表示的参数形成数据文件，如果要表示的参数是瓦斯等有毒有害气体浓度，为了在Q-H平衡图上显示分支参数，对in_qh.txt做了修改，修改后为：风路 始节点 末节点 流量 压力浓度1 1 2 100 20 0.002 2 3 60 40 0.053 2 4 40 20 0.084 3 7 20 50 0.105 4 6 30 50 0.066 4 5 10 30 0.127 3 5 40 10 0.078 5 6 50 20 0.159 6 7 80 20 0.1810 7 8 100 30 0.20通风网络特征图（Q-H平衡图）相应的，qh_coordinate_determination.m软件生成的坐标数据也会发生变化，生成结果为："(40.00000060.00000020.000000110.000000370.100000)""(20.00000020.00000060.00000060.000000230.050000)""(720.00000060.00000060.00000070.000000350.070000)""(660.00000040.00000070.00000070.000000450.120000)""(820.00000070.00000070.00000090.000000560.150000)""(10.0000000.000000100.00000020.000000120.000000)""(360.00000020.000000100.00000040.000000240.080000)""(570.00000040.000000100.00000090.000000460.060000)""(920.00000090.000000100.000000110.000000670.180000)""(100.000000110.000000100.000000140.000000780.200000)"上述结果中各列依次表示分支号、左下角横坐标、左下角纵坐标、右上角横坐标、右上角纵坐标、始节点、末节点、瓦斯浓度。通风网络特征图（Q-H平衡图）标色板

为了实现用不同颜色表示不同的分支参数（如有毒有害气体浓度、温度等），设计了标色板，如图3.2所示。参数值由低到高的颜色分别为：通风网络特征图（Q-H平衡图）软件会根据分支参数的大小自动调整各颜色代表的参数范围。对于此例，相应参数为：通风网络特征图（Q-H平衡图）根据标色板的标色值以及在图上所占的面积，就可以判别出矿井环境状况的好坏。通风网络特征图（Q-H平衡图）三维Q-H平衡图（1）黑白三维线框图

通风网络特征图（Q-H平衡图）其俯视图可以看到，三维Q-H平衡图的俯视图就是原来的二维Q-H平衡图。但是比二维Q-H平衡图更直观、形象。通风网络特征图（Q-H平衡图）（2）彩色三维线框图

通风网络特征图（Q-H平衡图）消隐后，如图通风网络特征图（Q-H平衡图）可以看出局部图特别清晰地反映出三维Q-H平衡图的各分支的参数属性。三维平衡图中高低不等，参差不齐的矩形块反映了不同的参数大小，便于观察和分析。

通风网络特征图（Q-H平衡图）（3）三维Q-H平衡图的俯视图

为了从不同的角度进行观察，本人开发了彩色的三维Q-H的俯视图。三维Q-H平衡图与二维Q-H平衡图相比，更加直观、形象地、方便地对矿井的环境进行分析，对矿井通风系统进行科学的管理。通风网络特征图（Q-H平衡图）Q-H平衡图应用红菱煤矿概况红菱煤矿1969年12月动工兴建，1976年3月移交投产。矿井设计生产能力90万吨/年。1986年改扩建后生产能力达到150万吨/年。矿井采用立井多水平分区式开拓，分两个水平：-550m水平和-1000m水平，目前，-1000m水平开拓延深工程正在施工。红菱矿为瓦斯突出矿井，瓦斯绝对涌出量为53m3/min，相对瓦斯涌出量为45.99m3/t。建矿至今已发生瓦斯突出100余次，瓦斯突出始终威胁着矿井安全生产。矿井通风方式为两翼对角式。北风井安设两台2K60-4-NO.28型主要通风机，风机风量83.3m3/s，风压2646Pa，转速598转/分，电机额定功率1000KW。南风井安设两台GAF-21.2-13.3型主要通风机，风机额定流量158m3/s，风压4587Pa，转速985转/分，电机额定功率1000KW。通风网络特征图（Q-H平衡图）网络解算结果

通风网络特征图（Q-H平衡图）……通风网络特征图（Q-H平衡图）矩形块坐标原始数据

风路始节点末节点风量阻力

4311183.8563151.23174418275.4921608.37334532451.0652635.59194645391.06520.020847513926.517180.03354967517.4302554.530350392727.582426.346151274033.0745361.10285243401.72351036.855455121944.539753.740757536837.8220234.745258284113.39670.98535941438.29350.16166041525.10324.4064…………131108120